嗜熱古細菌代謝網絡的拓撲結構與功能

1葉綠體和藍細菌代謝網絡的結構近年來，復雜的網絡理論被用來研究真實的網絡，并通過圖論、計算機模擬等方法研究了網絡的結構特征、網絡生成機制和網絡發展規律。為在系統層面研究生物網絡提供了一個新平臺。對代謝網絡復雜的拓撲結構的研究,已成為最近幾年的熱點問題之一。Zhu和Qin通過網絡指數、度分布以及motif表達譜3個拓撲屬性,發現古細菌與釀酒酵母以及6種細菌的代謝網絡具有不同的圖拓撲性質。Wang和Zhu等通過連接度、路徑長度以及聚集系數等拓撲屬性,分析得知葉綠體和藍細菌的整個代謝網絡具有小世界網絡特征。Jeong等統計了分別屬于古細菌、細菌和真菌的43個生物體的代謝網絡的度分布,發現這些網絡的度分布服從冪率分布p(k)～k-r,冪指數r大約為2.2,表明代謝網絡屬于無標度網絡。Ma等分析了80種生物的代謝網絡,列出了20種連接度最高的基本代謝物,這些代謝物包括糖酵解途徑中的丙酮酸(pyruvate)、3-磷酸甘油(glycerate-3-phosphate)、乙酰輔酶A(acetyl-CoA)、6-磷酸果糖(D-fructose6-phosphate)等,在不同生物體中這些代謝物控制著整個代謝網絡的結構。產甲烷細菌是一類特殊的生理群,是自然界碳素物質循環中厭氧生物鏈的最后1個成員,是一類能夠將無機或有機化合物發酵轉化成甲烷和二氧化碳的古細菌。為了從系統水平上來描述、解釋常溫古細菌MAC與嗜熱古細菌MKA這2種產甲烷菌的功能及特點,本文重構了這2種菌的代謝網絡,所有的代謝反應是使用KEGG(KyotoEncyclopediaofGenesandGenomes)的Web服務從KEGG數據庫中提取,并且所有的通用代謝物(除水外)被保持。本研究將通過常溫古細菌MAC和嗜熱古細菌MKA的代謝網絡的拓撲特征的比較,試圖從系統水平上分析這些特征蘊含的功能意義。2材料和方法2.1不能生長的土壤常溫古細菌MAC和嗜熱古細菌MKA是2種產甲烷的古細菌,前者古細菌MAC適合生長溫度是35℃～40℃之間,50℃以上不能生長,pH值范圍是6.5～7。而后者古細菌MKA是耐高溫的菌,需生長在無氧,以及CO2和H2的環境下,且生長溫度范圍是84℃～110℃,最適合生長溫度是98℃,pH值范圍是5.5～7,最適的pH值是6.5。本文重構了它們的代謝網絡,數據均從KEGG數據庫獲取。2.2網絡拓撲屬性大型網絡中識別其中的重要節點是1個基本問題,如今有很多度量值(measure)已被用于復雜網絡的節點的等級化,通過這些度量值可以定量描述網絡在某方面的拓撲性質,從而對復雜網絡進行分析和比較。其中最常見的是中心性測度(centralitymeasures)。中心性測度在藥物靶點的識別上有重要應用,基于網絡的拓撲可以給出中心性與重要性(essentiality)之間的關系,對于1個物種來說,某一基因或蛋白質的重要性是指沒有它,該物種就不能生存。節點度中心性(degreecentrality)是最常用的中心測度,此外常用的節點測度還包括緊密度中心性(closenesscentrality)、介數中心性(betweennesscentrality)、核數中心性(corecentrality)、子圖數中心性(subgraphcentrality)、偏心度中心性(eccentricitycentrality)、特征向量中心性(eigenvectorcentrality)等。節點的中心測度可衡量節點在網絡中的影響能力的大小,通過網絡的拓撲屬性可了解該對象獲得、控制信息及資源的能力。本文用Networkx分別計算了代謝網絡的度、度的中心性、緊密度中心性以及介數中心性等參數值。Networkx是基于Python的軟件包,為創建、操作、研究復雜網絡的結構特性、動態特征和功能特點而設計的。2.2.1eedni在無向圖中,1個頂點ni的度(degree)d(ni)是與ni相連接的邊的數目。其中,L是網絡的所有邊數。L(ni)是與節點ni相連的鄰節點的邊的條數。2.2.2評估的中心度的中心性是中心性度量中最基本的1個度量值,可由它來度量網絡的重要性。其中,d(ni)表示節點ni的度,g表示節點的個數。2.2.3節點ni與nj其中,g是網絡的節數總數,,i≠j,d(ni,nj)是節點ni與nj的最短途徑。此度量值用于定量描述圖中某個節點與所有其它節點的相近似的程度,也就是說重要的節點通常會與網絡中的其它節點靠近,并快速通信。2.2.4重要節點的定義介數中心性是網絡中經過某一節點的最短路徑值的歸一化,此度量值用于定量描述節點的影響力,也就是說,如果某一節點與網絡中的其它節點之間有更多的路徑,說明該節點越是重要的節點。其中u,v,w∈v(G),v(G)是節點集合,σuv是節點u與v之間的捷徑路徑(geodesicpath)(即最短途徑)之和,σuv(ω)是從u到v經過w的捷徑距離。3結果與討論常溫古細菌MAC代謝網絡中節點共62個,邊167條,而嗜熱古細菌MKA代謝網絡中節點共48個,邊130條。3.1代謝途徑分類由于許多生化反應是不可逆的,所以代謝網絡通常用有向圖來表示。但在研究代謝網絡的某些特性時,可以忽略反應的方向將網絡表示為無向圖。基于生物學意義的劃分,按照代謝物及反應的生化功能,直觀地將代謝網絡劃分為子網。根據KEGG(京都基因與基因組百科全書)數據庫,生物化學反應通路共分了11個大類,如碳水化合物代謝、能量代謝、脂代謝、核苷酸代謝、氨基酸代謝、其它氨基酸代謝、多糖合成與代謝、輔助因子與維生素代謝、聚酮和萜類化合物的生物合成、次級代謝物的生物合成、異源物質的生物降解等。將常溫古細菌MAC以及嗜熱古細菌MKA的代謝途徑分別對應至KEGG的代謝途徑分類中,常溫古細菌MAC缺乏多糖合成與代謝,嗜熱古細菌MKA缺乏多糖合成與代謝以及輔助因子與維生素代謝。2個生物體中均存在原核細胞和真核細胞所共有的糖酵解(EMP)、三羧循環(TCA)、氨基酸代謝以及核苷酸代謝。將常溫占細菌MAC與嗜熱古細菌MKA的代謝途徑作比較,其中常溫古細菌MAC缺乏1條子途徑00471(屬于其它氨基酸代謝),而嗜熱古細菌MKA有如下14條子途徑缺乏,分別是:屬于碳水化合物代謝的途徑00040、00053;屬于氨基酸代謝的途徑00310、00360;屬于脂代謝的途徑00061和00561;屬于其它氨基酸代謝的途徑00410以及00430;屬于萜類化合物及聚酮化合物代謝的途徑00523、00903;屬于異源物質的生物降解的途徑00624、00641;屬于輔助因子與維生素代謝的途徑00780以及屬于能量代謝的途徑00920。3.2網絡參數的比較3.2.1水生動物代謝網絡的結構及演化歷史從圖1中可看出,常溫古細菌MAC及嗜熱古細菌MKA在途徑00250(即丙胺酸、天冬氨酸鹽以及谷氨酸鹽代謝,屬于氨基酸代謝途徑類別)處的度值最高,高達16。常溫古細菌MAC的前5個度d(ni)值較大的途徑編號:00250、00010、00020、00620、00260;生物體嗜熱古細菌MKA的前5個度d(ni)值較大的途徑編號:00250、00010、00020、00620、00260。從以上分析可看出,2個生物體的度值較大的途徑編號是一樣的,這5個途徑對應的名稱及類別如下表1所示。由于這5個途徑2個生物體都有,所以可稱之為保守途徑,屬于氨基酸代謝及碳水化合物代謝。這和Wagner和Fell的統計結果保持一致,即Wagner和Fell統計了大腸桿菌E.coli代謝網絡中的13個連接度最高的代謝物,發現包括糖酵解和檸檬酸循環中間物以及一些早期氨基酸如丙氨酸,天冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺和絲氨酸等。這說明,通過對代謝網絡的拓撲結構的分析,在一定程度上可揭示網絡的演化歷史。橫軸表示具體的度,縱軸表示該度出現的次數。根據圖2的統計可發現這2個生物體的代謝網絡的大多數頂點的度都很低,對于常溫古細菌MAC,度小于5的節點高達80.6%,而對于嗜熱古細菌MKA度小于5的節點則高達83.3%,這與很多研究者的結論一致,即多種現實存在的復雜網絡的度分布滿足broad-tailed度分布,也就是說大多數節點有相當低的度,只有少數一些頂點(稱為Hub節點)有較高的度。移除這些hub節點相對于移除具有低的度的節點,對網絡的拓撲及連接性將有很大的影響。以上的數據表明途徑00250(丙氨酸,天冬氨酸和谷氨酸代謝)、00010(糖酵解/糖異生)、00020(檸檬酸循環)的度的值都很大,可稱為hub節點,它們在整個代謝網絡中占據重要的位置。現實網絡存在無標度特性主要源于眾多網絡所共有的2種生成機制:(ⅰ)網絡通過增添新節點而連續擴張;(ⅱ)新節點擇優連接到具有大量連接的節點上,即“富者越富”原則。按照此機制,網絡中連接度高的結點是在網絡形成過程中出現較早的結點。代謝網絡也具有無標度這一特性,根據這一理論得出常溫古細菌MAC與嗜熱古細菌MKA的代謝網絡中途徑00250、00010、00020是較早出現的結點。3.2.2發酵過程中常見的代謝藥物去除2個生物體中缺失的途徑外,嗜熱古細菌MKA的大多數度中心性值都高于常溫古細菌MAC的相應值,比例達66%。對于常溫古細菌MAC及嗜熱古細菌MKA來說,最大的度的中心性值CD(ni)都在途徑00250(丙胺酸、天冬氨酸鹽以及谷氨酸代謝,屬于氨基酸代謝類別)上,其值分別是0.262295與0.340426。從以上分析可知途徑00250對于這2個生物體來說相對是較重要的途徑。常溫古細菌MAC的前10個CD(ni)值較大的途徑編號:00250、00010、00020、00620、00260、00230、00030、00640、00270、00400;嗜熱古細菌MKA的前10個CD(ni)值較大的途徑編號:00250、00010、00020、00620、00260、00230、00030、00660、00640、00400。從以上數據可看出,有9個途徑編號2個生物體都一樣,只有1個途徑不一樣,對于常溫古細菌MAC度中心性值較大的還有途徑00270(半胱氨酸和蛋氨酸代謝,屬于氨基酸代謝),而對于嗜熱古細菌MKA,還有00660途徑(C5分支二元酸代謝,碳水化合物代謝)。代謝網絡的演化是由于新的催化酶的出現,如果網絡中因為添加新的代謝物而擴大規模,那么hub節點對應的代謝物應是系統發生學意義上最古老的代謝物。Wagner和Fell統計了大腸桿菌E.coli代謝網絡中的13個連接度最高的代謝物,得出結論:糖酵解和檸檬酸循環被認為是也許最早出現的代謝途徑,這2個途徑分別對應至常溫古細菌MAC與嗜熱古細菌MKA的00010以及00020途徑。通過計算發現這2個途徑的度中心值也是很高的,再一次驗證了此結論。3.2.3ccni值常溫古細菌MAC的前10個緊密度中心性CC(ni)值較大的途徑編號:00010、00020、00250、00260、00620、00650、00660、00230、00030、00630;嗜熱古細菌MKA的前10個CC(ni)值較大的途徑編號:00010、00250、00020、00260、00620、00650、00660、00230、00030、00770。從以上數據可看出:2個生物體的CC(ni)值較大的途徑前9個都一樣,只有最后一個途徑常溫古細菌MAC是00630(乙醛酸和二羧酸代謝)值較大,而嗜熱古細菌MKA是00770(泛酸和輔酶A生物合成)值較大。這些途徑的名稱及類別如下表,其余的見表2。從緊密度中心性度量值的定義可知此度量值主要用于定量描述圖中某個節點與所有其它節點的相近似的程度,即重要的節點通常會與網絡中的其它節點靠近,并快速通信。根據此理論,常溫古細菌MAC與嗜熱古細菌MKA中途徑00010(糖酵解/糖異生)、00020(檸檬酸循環)、00250(丙氨酸,天冬氨酸和谷氨酸代謝)都是重要途徑。3.2.4介數中心性的定義嗜熱古細菌MKA的前10個CB(ω)值較大的途徑編號:00010、00020、00250、00260、00230、00400、00620、00790、00030、00520;常溫古細菌MAC的前10個CB(ω)值較大的途徑編號:00010、00250、00020、00230、00260、00620、00400、00790、00030、00380。從以上數據可看出:2個生物體的前10個介數中心性值大的途徑編號,有7個是2個生物體共有的,分別是00010、00020、00250、00260、00620、00230、00030,還有3個途徑2個生物體不同,對于常溫古細菌MAC生物體來說有途徑00650(丁酸代謝)、00660(C5分支二元酸代謝)、00770(泛酸和輔酶A生物合成);而對于嗜熱古細菌MKA生物體來說有途徑00400(苯丙氨酸,酪氨酸和色氨酸合成)、00790(葉酸生物合成)、00380(色氨酸代謝)。這些途徑的名稱及類